Угол естественного откоса: что это такое и зачем нужно знать
Угол естественного откоса - важная характеристика сыпучих материалов и грунтов. От этого параметра зависит устойчивость откосов, возможность образования оползней. Понимание природы угла позволяет правильно проектировать выемки, насыпи, карьеры. Давайте разберемся подробнее, что такое угол естественного откоса и зачем о нем нужно знать инженеру или строителю.
Определение угла естественного откоса
Угол естественного откоса - это угол между свободной поверхностью сыпучего материала (песка, гравия, руды и т.п.) или грунта и горизонтальной плоскостью. Частицы на поверхности откоса находятся в предельном равновесии. Этот угол напрямую зависит от внутреннего трения частиц друг о друга и между собой.
Давайте рассмотрим несколько способов определения угла естественного откоса:
- Метод отсыпки и обрушения материала под собственным весом
- Испытания методом прямого среза
- Одноосное или трехосное сжатие образцов
Для измерений в полевых условиях можно использовать:
- Наклоняемый ящик с отсыпкой материала
- Метод конуса с постепенной отсыпкой
- Отсыпка материала с транспортера или из бункера
В лаборатории применяют специальные приборы и установки:
Наиболее распространены метод с погружаемым диском и измерением угла образовавшегося конуса или метод отсыпки материала через воронку
Угол естественного откоса может сильно различаться для песка, глины, скальных пород, руды, угля и других материалов. Приведем несколько значений в таблице:
| Материал | Угол откоса |
| Песок сухой | 30-35° |
| Песок влажный | 45° |
| Глина | 10-30° |
| Щебень | 35-45° |
| Уголь | 30-45° |
Зависимость угла откоса от свойств материала
На величину угла естественного откоса влияют такие параметры сыпучей среды, как:
- Шероховатость поверхности частиц
- Степень увлажнения материала
- Гранулометрический состав и форма частиц
- Плотность вещества
Рассмотрим подробнее каждый из этих факторов.
Чем больше шероховатость поверхности отдельных зерен песка, щебня, руды и т.п., тем сильнее сцепление между ними и выше угол естественного откоса. Гладкие частицы, напротив, скользят друг по другу, образуя более пологий откос.
Увлажнение материала, как правило, увеличивает значение угла. Влага заполняет микронеровности на поверхности частиц, усиливает капиллярное сцепление. В результате, например, влажный песок имеет угол естественного откоса порядка 45°, тогда как сухой - 30-35°.
Чем крупнее частицы сыпучей среды и чем больше их окатанность, тем сильнее они склонны к скатыванию, образуя более пологий откос. Наибольшая устойчивость наблюдается у материалов с угловатыми, зацепляющимися друг за друга зернами.
Чем выше плотность материала, тем больше сжимающая нагрузка на нижние слои откоса. Это также ведет к увеличению значения угла естественного откоса.
Связь угла со свойствами грунтов
Рассмотрим теперь, как угол естественного откоса связан с прочностными и деформационными характеристиками грунтов.
В основе этой зависимости лежит широко известный в механике грунтов критерий прочности Кулона-Мора. Согласно ему, сдвиг грунта происходит при достижении предельного значения касательных напряжений. Это значение прямо пропорционально нормальному давлению и зависит от сцепления грунта и его внутреннего трения.
Так вот угол естественного откоса грунта как раз и является мерой этого внутреннего трения, возникающего при относительном сдвиге частиц.
Расчет допустимых углов
Зная угол откоса для данного типа грунта, можно рассчитать предельно допустимые значения для откосов выемок, карьеров, насыпей:
- Уположить откос по сравнению с естественным углом
- Искусственно закрепить грунт откоса
- Устроить подпорные стенки или армирование
Существуют своды правил и рекомендаций для проектирования откосов в зависимости от вида грунта, его влажности, плотности сложения и других факторов.
Пример расчета
Допустим, по данным изысканий на участке залегает супесчаный грунт со следующими характеристиками:
- Естественная влажность W = 15%
- Плотность ρ = 1,9 т/м3
- Угол внутреннего трения φ = 30°
- Сцепление C = 15 кПа
Руководствуясь правилами проектирования, принимаем для него допустимый угол откоса выемки без крепления равный 25°.
Применение на практике
На практике понимание сущности угла естественного откоса и умение его определять используется в таких областях:
Проектирование карьеров и отвалов
Знание допустимых углов откоса необходимо при разработке проектов различных горных выработок - карьеров, отвалов, терриконов. Это позволяет обеспечить их устойчивость с учетом свойств вскрышных и вмещающих пород.
Строительство насыпей и выемок
Аналогичные расчеты по углам откоса выполняются для транспортных выемок и насыпей - автомобильных и железных дорог, каналов. Это необходимо делать еще на стадии изысканий и проектирования.
Обеспечение устойчивости откосов
Угол естественного откоса определяют для существующих откосов - оврагов, береговых склонов рек и водохранилищ. Это нужно для оценки опасности оползней и выбора способов инженерной защиты территории.
Расчеты на сдвиг в механике грунтов
В различных расчетах устойчивости фундаментов, подпорных стенок и других подземных конструкций используют характеристики сдвиговой прочности грунтов. А они, как мы выяснили, связаны с углом естественного откоса.